Harde Schijfstations — Componenten van Toegangstijd en Gegevensoverdrachtsnelheid

Toegangstijd en gegevensoverdrachtssnelheid zijn belangrijke prestatie-indicatoren die rechtstreeks van invloed zijn op de snelheid waarmee uw systeem data kan ophalen en verwerken. Voor gebruikers, met name in omgevingen waar snelheid van cruciaal belang is, zoals gaming, vlogging of bedrijfs-IT, is het essentieel om deze twee concepten te begrijpen.

• Toegangstijd: harde schijven hebben bewegende mechanische onderdelen. Na ontvangst van een lees-/schrijfopdracht moet de lees-/schrijfkop naar de gewenste track bewegen en wachten tot de gewenste sector eronder draait. De tijd die hiervoor nodig is, wordt de toegangstijd of responstijd genoemd. Een kortere toegangstijd betekent snellere gegevensopvraging en is daarom ideaal voor toepassingen die snelle willekeurige toegang tot bestanden vereisen.
• Data-overdrachtssnelheid: verwijst naar de snelheid waarmee data daadwerkelijk wordt overgedragen na toegang. Dit beïnvloedt hoe snel bestanden worden gelezen van of geschreven naar de harde schijf en kan een aanzienlijk verschil maken voor de algehele systeemprestaties, vooral bij het werken met grote bestanden.

Om echt te begrijpen waarom deze factoren belangrijk zijn, is het essentieel om eerst de interne componenten van harde schijven en hun mechanica te begrijpen. Hieronder leggen we meer in detail uit wat er gebeurt tijdens een lees- of schrijfverzoek, zodat u de kernconcepten begrijpt die bepalend zijn voor de prestaties.

De interne werking van een harde schijf

Wanneer een verzoek om data te lezen of te schrijven wordt gedaan, doorloopt de schijf een reeks bewerkingen. Deze kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdfasen:

• Toegang tot data: in deze fase beweegt de lees-/schrijfkop naar de juiste track (zoektijd) en wacht tot de gewenste sector onder de kop draait (rotatielatentie).

• Data-overdracht: zodra de fase van data-toegang is voltooid, worden data met een bepaalde snelheid naar of van de harde schijf overgedragen. Hier is de gegevensoverdrachtssnelheid van de schijf van cruciaal belang, omdat deze bepaalt hoe snel data tussen de harde schijf en het systeem kunnen worden overgedragen.

Samen bepalen deze twee fasen hoe efficiënt uw systeem kan lezen van of schrijven naar de harde schijf. Voordat we echter naar de gegevensoverdrachtssnelheden kijken, is het belangrijk om eerst de toegangstijd te begrijpen, aangezien de schijf niets kan overbrengen voordat deze de relevante sector heeft gevonden.

Toegangstijd

De toegangstijd omvat alle korte tijdsperioden die bij elke stap van de data-toegangsfase betrokken zijn. Voor gebruikers is de toegangstijd een belangrijke maatstaf om te beoordelen hoe snel een schijf toegang heeft tot willekeurige data. De belangrijkste factoren voor de toegangstijd zijn de zoektijd en de rotatielatentie. 

Het is belangrijk om te begrijpen dat fabrikanten de toegangstijd vaak op verschillende manieren berekenen, waardoor het moeilijk is om schijven rechtstreeks met elkaar te vergelijken. Om schijven effectief te vergelijken, is het beter om afzonderlijk te kijken naar de zoektijd en de latentie, aangezien dit de belangrijkste componenten van de toegangstijd zijn.

Zoektijd

Zoektijd is de tijd die de lees-/schrijfkop nodig heeft om zich tussen de sporen op de harde schijf te verplaatsen. Een belangrijk concept om hier te begrijpen is positioneringsprestaties. Dit verwijst naar het vermogen van een harde schijf om de lees-/schrijfkop snel en nauwkeurig op het juiste spoor te positioneren tijdens een lees- of schrijfbewerking.

Wanneer een bestand wordt opgevraagd, moet de harde schijf bepalen op welke track het zich bevindt en vervolgens de actuatorarm fysiek verplaatsen om de lees-/schrijfkop op die track uit te lijnen. Deze mechanische beweging veroorzaakt een vertraging, vooral als de kop een relatief lange afstand over het schijfoppervlak moet afleggen.

Op het gegevensblad van een harde schijf kunnen drie soorten zoektijden worden vermeld:

1. Gemiddelde zoektijd: de tijd die nodig is om tussen willekeurige sporen te bewegen, doorgaans 8-10 ms.
2. Zoektijd tussen tracks: de tijd die nodig is om tussen aangrenzende tracks te bewegen, doorgaans ongeveer 1 ms.
3. Zoektijd over de volledige slag: de tijd die nodig is om over de hele harde schijf te bewegen, doorgaans 15-20 ms.

Zoektijd is van cruciaal belang omdat zelfs een kleine verbetering de systeemprestaties aanzienlijk kan verhogen, vooral in serveromgevingen waar multi-usertoepassingen worden uitgevoerd.

De actuatorassemblage en het ontwerp van de lees-/schrijfkop spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de zoektijd van een harde schijf.

Zo kunnen schijven met voice coil-actuatoren de lees-/schrijfkop met meer nauwkeurigheid versnellen en vertragen dan schijven met oudere stappenmotorontwerpen. Bovendien kan korte slag – waarbij slechts een deel van de harde schijf wordt gebruikt voor opslag om de afgelegde afstand te verminderen – de gemiddelde zoektijd aanzienlijk verkorten, maar dit gaat ten koste van de bruikbare opslagcapaciteit.

Zodra de lees-/schrijfkop zich op de juiste track heeft uitgelijnd, is verdere beweging nodig voordat data kunnen worden gelezen of geschreven. Hier komt de rotatielatentie om de hoek kijken.

Rotatielatentie

Zoals reeds uitgelegd, worden data opgeslagen in concentrische cirkels op de schijf, die tracks worden genoemd. 

Elke track is onderverdeeld in kleinere eenheden, die elk een sector worden genoemd, waarin de daadwerkelijke data wordt opgeslagen. 

Wanneer een computer om toegang tot of overdracht van data vraagt, bewegen de lees-/schrijfkoppen in de harde schijf naar het juiste spoor. De tijd die ze hiervoor nodig hebben, is, zoals we eerder hebben begrepen, de zoektijd. 

De schijf van een harde schijf draait nu met een constante snelheid. Daarom bevindt de specifieke sector met de gevraagde data zich mogelijk niet direct onder de lees-/schrijfkop wanneer deze de track bereikt. Dit resulteert in een vertraging die gelijk is aan de tijd die de schijf nodig heeft om te draaien en de juiste sector onder de kop uit te lijnen. Deze vertraging wordt rotatielatentie genoemd.

De rotatielatentie is laag voor snel draaiende schijven, d.w.z. hoe hoger de rotatiesnelheid (gemeten in RPM), hoe lager de rotatielatentie. Voorbeeld:

• Bij 5400 rpm is de gemiddelde latentie ~5,6 ms.
• Bij 7200 rpm daalt de gemiddelde latentie tot ~4,2 ms.
• Bij 15.000 rpm kan deze zelfs zo laag zijn als ~2 ms.

In bepaalde gevallen waarin hoge eisen worden gesteld aan de opslagprestaties, zoals in servers, dient u een harde schijf met een hoge spindelsnelheid te kiezen, zodat de rotatielatentie laag is.

De toegangstijd bestaat uit nog twee andere componenten, maar deze zijn verwaarloosbaar in vergelijking met de zoektijd en de rotatielatentie.

Commandoverwerkingstijd

Deze component, ook wel bekend als commando-overhead, is de eerste stap in de fase van data-toegang. Het is de tijd die de interne elektronica van de schijf nodig heeft om een lees-/schrijfcommando te interpreteren en vervolgens communicatie tot stand te brengen tussen het systeem en de componenten, voordat er enige fysieke beweging plaatsvindt. 

Deze tijd is extreem kort, doorgaans ongeveer drie microseconden, waardoor deze verwaarloosbaar is in vergelijking met mechanische vertragingen zoals zoektijd of rotatielatentie. Om deze reden wordt deze tijd meestal genegeerd bij het meten van de prestaties van de schijf.

Stabilisatietijd

Zodra de lees-/schrijfkop de juiste track heeft bereikt, moet deze stabiliseren voordat hij kan beginnen met het lezen of schrijven van data. Deze korte pauze staat bekend als de stabilisatietijd. Bij moderne harde schijven is de stabilisatietijd minder dan 100 microseconden. Daarom wordt deze tijd bij de meeste harde schijven meegenomen in de totale zoektijd zelf. Om deze reden wordt de stabilisatietijd niet beschouwd als een prestatiebottleneck.
 

Nu we de toegangstijd in detail hebben besproken, moeten we kijken naar hoe snel data wordt overgedragen zodra ze is gevonden: dit is de gegevensoverdrachtssnelheid. Laten we dus eens kijken wat de gegevensoverdrachtssnelheid beïnvloedt en waarom dit belangrijk is.

Data-overdrachtssnelheid

Zodra de lees-/schrijfkop zich correct heeft gepositioneerd, begint de volgende fase: de gegevensoverdracht. De gegevensoverdrachtssnelheid is afhankelijk van de onderstaande factoren.

Mediasnelheid

De mediasnelheid is de snelheid waarmee een harde schijf bits rechtstreeks van het oppervlak van een schijf kan lezen. Deze snelheid geeft de ruwe snelheid weer waarmee magnetische overgangen (die data vertegenwoordigen) kunnen worden gedetecteerd en verwerkt door de lees-/schrijfkop terwijl de schijf eronder draait.

De mediasnelheid vormt de basis voor de interne doorvoersnelheid van een schijf. Deze geeft aan hoe snel de schijf data van het fysieke medium kan ophalen voordat buffering of interfacegerelateerde overdracht plaatsvindt. Om deze reden kunnen de prestaties zelfs bij schijven met dezelfde rotatiesnelheid variëren, afhankelijk van de oppervlaktedichtheid en het interne ontwerp.

Sectoroverheadtijd

Om dit te begrijpen, moeten we iets meer weten over hoe een sector werkt. 

Elke sector bevat niet alleen data, maar ook aanvullende informatie die de harde schijf helpt bij het beheren en beschermen van die data. Wanneer een lees-/schrijfkop toegang krijgt tot een sector, voert de harde schijf dus veel taken uit. 

Enkele van deze taken zijn het beheren van de organisatie en de data-stroom, ervoor zorgen dat de data die worden gelezen of geschreven nauwkeurig en foutloos zijn, en het afhandelen van andere interne processen die essentieel zijn voor het behoud van de betrouwbaarheid van de schijf. 

Sectoroverheadtijd is de kleine hoeveelheid extra tijd die de harde schijf nodig heeft om de informatie rondom de data die in een sector zijn opgeslagen, te beheren en te verwerken. Dit is slechts een zeer klein deel van de totale tijd die nodig is voor gegevensoverdracht. 

Deze tijd is doorgaans veel korter dan de hierboven beschreven zoektijd.

Hoofdwisseltijd

Om de hoofdwisseltijd te begrijpen, moeten we eerst de betekenis van een cilinder begrijpen. 

Een harde schijf bestaat meestal uit meerdere platen. Een cilinder wordt gecreëerd door een reeks tracks verticaal over meerdere platen te stapelen (zie onderstaande afbeelding).

Elke schijf heeft zijn eigen lees-/schrijfkop. 

Stel u nu een sequentiële lees- of schrijfbewerking voor. De schijf probeert alle sporen in één cilinder te lezen of te schrijven voordat hij naar de volgende cilinder gaat. Dit wordt gedaan om tijd te besparen. 

Om toegang te krijgen tot data op een andere track in dezelfde cilinder op een andere schijf, moet de schijf natuurlijk van de ene kop naar de andere gaan. Hoewel dit een elektronisch proces is en geen mechanische beweging, kost het toch enige tijd – de zogenaamde kopwisseltijd. 

Deze tijd bedraagt doorgaans tussen 1 en 2 milliseconden. 

De kopwisseltijd is een cruciale factor voor de dataoverdrachtssnelheid, aangezien kopwisselingen vaak plaatsvinden tijdens grote opeenvolgende lees- of schrijfbewerkingen die meerdere tracks beslaan. 

De schakeltijd van de kop wordt voornamelijk bepaald door de controller in de harde schijf en verschilt niet significant tussen verschillende modellen of fabrikanten van harde schijven.

Cilinderwisseltijd

Als u de zoektijd van de kop begrijpt, wordt het concept van de zoektijd van de cilinder eenvoudiger. Dit is de tijd die de harde schijf nodig heeft om van de ene cilinder naar de volgende te gaan. 

Deze tijd wordt relevant wanneer de schijf alle tracks in één cilinder moet lezen en vervolgens van cilinder moet wisselen. Deze tijd is langer dan de hoofdwisseltijd omdat het een mechanisch proces is: de actuator moet van de ene cilinder naar de volgende bewegen. De cilinderwisseltijd ligt meestal tussen 2 en 3 milliseconden.

Conclusie

Toegangstijd en gegevensoverdrachtssnelheid zijn twee van de belangrijkste parameters van een harde schijf.

• Voor interne harde schijven met een snelheid van 7200 rpm ligt de gemiddelde toegangstijd tussen 12 en 13 milliseconden – vooral voor populaire modellen zoals WD Blue (WD10EZEX) of Seagate Barracuda. 
• Voor externe harde schijven met 5400 rpm kan de toegangstijd tussen 15 en 17 milliseconden liggen, zoals bijvoorbeeld bij WD My Passport of Toshiba Canvio.
• Doorgaans ligt de data-overdrachtssnelheid voor pc-schijven voor consumenten tussen 140 en 280 MB/s, zoals bij Toshiba P300 of WD Blue. 
• Er zijn ook krachtige HDD's, zoals WD Black Performance Mobile of Toshiba N300 NAS, waarbij de overdrachtssnelheid van data tussen 227 en 248 MB/s kan liggen. 
• Voor externe schijven die via USB 3.2 zijn aangesloten, kan de overdrachtssnelheid theoretisch 625 MB/s bereiken, hoewel de werkelijke snelheden lager zijn.

Houd er rekening mee dat toegangstijden en data-overdrachtssnelheden belangrijk zijn, maar slechts een deel van het totaalplaatje vormen. Daarom dient u bij uw aankoop ook rekening te houden met andere HDD-specificaties, zoals oppervlaktedichtheid, stroomverbruik, betrouwbaarheid en andere factoren.